彈丸海上落點(diǎn)聲學(xué)測(cè)量方法研究

劉德耀，吳軍波，武翰文

(解放軍92941部隊(duì)94分隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

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彈丸海上落點(diǎn)聲學(xué)測(cè)量方法研究

劉德耀，吳軍波，武翰文

(解放軍92941部隊(duì)94分隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

對(duì)大口徑艦炮彈丸海上落點(diǎn)水聲特性進(jìn)行分析，提出采用水聽器作為傳感器，采集彈丸入水時(shí)產(chǎn)生的擊水噪聲信號(hào)，通過水聽器在海面合理布陣，利用噪聲信號(hào)到達(dá)各水聽器的時(shí)延差(TDOA)，對(duì)彈丸海上落點(diǎn)進(jìn)行精確定位. 仿真計(jì)算結(jié)果表明，該方法具有測(cè)量范圍大、 測(cè)量精度高等特點(diǎn)，能夠滿足大口徑艦炮彈丸海上落點(diǎn)測(cè)量需求.

海上彈丸落點(diǎn)； 聲學(xué)測(cè)量； 水聲特性

0 引 言

艦炮威力是其作戰(zhàn)效能的重要組成部分，對(duì)于中大口徑艦炮，其有效射程及地面密集度是艦炮威力的核心技術(shù)指標(biāo)之一[1]，而這兩個(gè)艦炮主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)靶場試驗(yàn)的關(guān)鍵是彈丸落點(diǎn)的高精度測(cè)量. 艦炮對(duì)海射擊時(shí)彈丸海上落點(diǎn)測(cè)量可采用無線電測(cè)量、 光學(xué)測(cè)量及聲學(xué)測(cè)量等多種測(cè)量手段[2-6]，本文針對(duì)彈丸海上落點(diǎn)的聲學(xué)測(cè)量方法進(jìn)行探討.

1 彈丸落點(diǎn)聲學(xué)特性及其檢測(cè)方法

1.1 彈丸落點(diǎn)聲學(xué)特性

彈丸入水過程分3個(gè)階段:初始擊水階段、 空腔形成階段和氣泡脈動(dòng)階段. 與之對(duì)應(yīng)的過程所產(chǎn)生的水下噪聲信號(hào)主要包括擊水聲信號(hào)、 寂靜區(qū)間和氣泡脈動(dòng)聲信號(hào). 圖 1 為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的空投目標(biāo)濺落聲信號(hào)時(shí)域波形圖[7].

圖 1 目標(biāo)入水噪聲信號(hào)Fig.1 The noise signal emitted by target into the water

在目標(biāo)接觸水面后的極短時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)撞擊和擠壓周圍的水介質(zhì)產(chǎn)生幅度較高的沖擊壓力脈沖，即圖 1 中所示的擊水聲信號(hào)(第一個(gè)脈沖信號(hào)). 隨著目標(biāo)入水過程的繼續(xù)，水流從目標(biāo)前端開始分離，形成充氣空泡，目標(biāo)愈深入水中空泡體積隨之?dāng)U大，內(nèi)部壓力愈發(fā)降低； 同時(shí)在水面逐漸形成水花，水花濺落時(shí)產(chǎn)生二次擊水聲，但它們所包含的能量很低，這一階段可看作一個(gè)聲寂靜區(qū)間. 寂靜區(qū)間之后為氣泡脈動(dòng)聲，當(dāng)環(huán)境壓力大于空腔內(nèi)部壓力時(shí)，空泡壁上的水質(zhì)點(diǎn)向中心匯聚，出現(xiàn)閉合現(xiàn)象； 當(dāng)物體高速入水時(shí)，所形成的空泡越大，空泡內(nèi)外的壓力差越大，其閉合過程越劇烈，產(chǎn)生的輻射噪聲就越強(qiáng).

1.2 彈丸落點(diǎn)信號(hào)檢測(cè)方法

圖 2 不同距離處擊水聲信號(hào)強(qiáng)度估算Fig.2 Water acoustic signal intensity estimates at different distances

彈丸落點(diǎn)可采用水聽器檢測(cè)其擊水聲信號(hào)(第一個(gè)脈沖信號(hào))的方法進(jìn)行定位，主要有兩個(gè)原因： 一是其聲源級(jí)高，易檢測(cè)，參數(shù)估計(jì)精度高； 二是擊水聲產(chǎn)生位置直接對(duì)應(yīng)彈丸入水點(diǎn)位置，定位結(jié)果直觀反應(yīng)彈丸落點(diǎn).

目標(biāo)擊水聲的產(chǎn)生與物體撞擊水面及隨后的運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān)，嚴(yán)格的理論分析不易進(jìn)行. 通過對(duì)不同入水速度、 不同入水角、 不同收發(fā)位置、 不同特征尺度的目標(biāo)入水聲的模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，估算某型彈丸的擊水聲信號(hào)強(qiáng)度見圖 2.

在三級(jí)海況下，500～5 500 Hz頻帶內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲級(jí)約110 dB[8-10]，在800 m距離處的接收信噪比約36 dB. 若系統(tǒng)檢測(cè)閾值為10 dB，可滿足800 m左右的水聲作用距離要求.

2 測(cè)量原理及定位精度分析

2.1 彈丸落點(diǎn)測(cè)量基本技術(shù)要求

對(duì)彈丸落點(diǎn)最基本的測(cè)量技術(shù)要求有兩點(diǎn)： ① 測(cè)量范圍； ② 測(cè)量精度. 具體的測(cè)量范圍及測(cè)量精度要求與彈丸散布有關(guān)，彈丸的散布因彈丸種類及其發(fā)射系統(tǒng)的不同而差異較大，如英國BAE公司研發(fā)的62倍口徑155 mm“先進(jìn)艦炮系統(tǒng)”(AGS)遠(yuǎn)程對(duì)地攻擊彈(LRLAP)的散布約為20 m(CEP)，而通常大口徑艦炮的地面散布一般在1/300(變差系數(shù)EX/X，EX為距離散布，X為距離)左右，CEP約為100 m 左右. 綜合考慮大口徑艦炮武器系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，其彈丸海面落點(diǎn)測(cè)量范圍可確定為半徑500 m的圓，測(cè)量誤差優(yōu)于5 m(標(biāo)準(zhǔn)差). 由2.2節(jié)論述可以得知，水聲測(cè)量方法可以滿足測(cè)量范圍要求.

2.2 測(cè)量系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)主要由主控單元、 無線傳輸單元、 信號(hào)處理單元、 水聽器陣列(測(cè)量基站)等組成，見圖 3. 測(cè)量基站檢測(cè)出彈丸落水的噪聲信號(hào)，并經(jīng)過信號(hào)處理單元處理后通過無線傳輸單元上傳至主控單元，主控單元根據(jù)噪聲到達(dá)各基站的時(shí)間差，采用相應(yīng)的軟件完成彈丸落點(diǎn)的解算.

圖 3 系統(tǒng)原理框圖Fig.3 System schematic block diagram

2.3 目標(biāo)定位方法及基站布設(shè)

目標(biāo)定位方法有多種，其中時(shí)差定位方法(TDOA)又稱雙曲線定位方法，技術(shù)成熟，較易實(shí)現(xiàn)，本文以此為基礎(chǔ)展開討論. TDOA定位是由彈丸入水產(chǎn)生的噪聲信號(hào)到達(dá)不同基站的時(shí)間差,計(jì)算出彈丸入水點(diǎn)到各基站間的距離之差，而兩個(gè)基站的距離差能建立唯一的一條雙曲線，由至少3個(gè)基站建立的雙曲線方程組求解，得到交點(diǎn)來確定彈丸落點(diǎn)的坐標(biāo).

基站布設(shè)方式直接影響TDOA的測(cè)量精度. 根據(jù)平面上火炮彈著點(diǎn)的散布區(qū)域?yàn)闄E圓形，散布密度服從正態(tài)分布的特性[11]，并考慮到實(shí)際測(cè)量環(huán)境，基站以正多邊形或L型布設(shè)為宜，測(cè)量中心與散布中心重合. 圖 4 分別為正多邊形6基站和L型7基站布站示意圖.

圖 4 測(cè)量基站布設(shè)方案Fig.4 Layout Scheme of measuring stations

假設(shè)待求彈丸落點(diǎn)坐標(biāo)為p(x,y)，各基站坐標(biāo)為si(xi,yi)，則可得到方程組

式中：r1=c*t，r2=r1+c*(t2-t1)=c*(t1+τ21)，…，ri=c*(t1+τi1).c為聲在水中的傳播速度，t1為噪聲到達(dá)參考基站(s1)的時(shí)間(未知量)，τ21,…,τi1為噪聲到達(dá)各基站與參考基站時(shí)間差(可測(cè)量，已知量).

由式(1)可知，理論上3個(gè)基站就可對(duì)彈丸落點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量. 而實(shí)際使用中由于種種誤差，完全一致的交點(diǎn)是不存在的，需要較多的基站得到超過未知量數(shù)目的方程組，獲得更多的冗余信息來實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的定位. 基站的數(shù)量大于3時(shí)，得到的非線性方程組個(gè)數(shù)要多于未知變量的個(gè)數(shù)，先將式(1)化為線性方程組,然后用加權(quán)最小二乘法求彈丸落點(diǎn)的精確解[12].

2.4 測(cè)量精度仿真計(jì)算

2.4.1 仿真條件

彈丸落點(diǎn)測(cè)量精度與基站基準(zhǔn)位置精度、 時(shí)間同步精度、 噪聲信號(hào)撿拾精度、 彈丸落點(diǎn)噪聲及海況背景噪聲相關(guān)，同時(shí)信號(hào)處理算法也對(duì)定位精度起著關(guān)鍵作用.

仿真條件按照工程可實(shí)現(xiàn)條件設(shè)定：

基站位置采用GPS定位，設(shè)定其精度為2 m(標(biāo)準(zhǔn)差)； 聲速裝定誤差0.2%(設(shè)定彈丸落點(diǎn)區(qū)域內(nèi)海水聲傳播速度為1 500 m/s)； 時(shí)間同步精度及噪聲提取時(shí)延誤差簡化后綜合為2 ms.

正多邊型基站布設(shè)半徑為500 m(分4基站、 5基站及6基站3種情況)；L型基站布設(shè)為邊長900 m的直角線(7個(gè)測(cè)量基站)，見圖 4. 測(cè)量基站坐標(biāo)為圖中標(biāo)注的圓點(diǎn).

2.4.2 仿真計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用MATLAB語言編程，采用蒙特卡洛法，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)統(tǒng)計(jì)500次，得到不同基站布設(shè)情況下的定位誤差空間分布，見圖 5.

圖 5 不同基站布陣測(cè)量精度仿真結(jié)果Fig.5 Measuring accuracy simulation results under different station embattle

仿真結(jié)果表明：

1) 測(cè)量基站的布設(shè)方式對(duì)測(cè)量精度及測(cè)量范圍影響較大；

2) 等邊多邊形布陣優(yōu)于L型布陣，在半徑為500 m圓的范圍內(nèi)，測(cè)量精度優(yōu)于5 m，滿足彈丸落點(diǎn)的測(cè)量要求；

3) 測(cè)量中心區(qū)域的測(cè)量精度較高，測(cè)量邊緣區(qū)域的測(cè)量精度較低；

4) 多測(cè)量基站有利于提高測(cè)量精度，當(dāng)測(cè)量基站多于5個(gè)時(shí)，增加測(cè)量基站對(duì)提高測(cè)量精度影響不敏感.

3 結(jié)束語

彈丸海上落點(diǎn)測(cè)量手段有多種，各種測(cè)量方法均有其優(yōu)缺點(diǎn). 水聲測(cè)量方法具有測(cè)量范圍大、 測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，特別是環(huán)境適用性強(qiáng)、 使用方便，在工程實(shí)施方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，更適用于靶場艦炮試驗(yàn)工作.

本文提出的采用水聽器作為傳感器提取彈丸落水噪聲信號(hào)，采用TDOA定位原理進(jìn)行彈丸入水點(diǎn)測(cè)量的方法，為大口徑艦炮彈丸海上落點(diǎn)測(cè)量提供了一條新途徑.

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The Projectile Demonstration of Acoustics Measurement of Falling Point on the Sea

LIU Deyao，WU Junbo，WU Hanwen

(Unit 92941 of PLA，Huludao 125001, China)

Analyzing method about acoustic characteristics of the large-caliber gun projectile falling point on the sea has been put forward in this paper. Using hydrophone sensors, the noise signal generated by the projectile splashing into the water is collected, Via placing the hydrophone reasonable embattle in the sea, using the TDOA that noise signal arrives at each different hydrophones, projectile falling point on the sea is accurate located. The simulation results show that this method has the characteristics of large measuring range and high measuring precision. The method can meet measurement needs of large-caliber gun projectile falling point on the sea.

sea projectile point; acoustics measurement; water acoustic features

1671-7449(2016)06-0506-05

2016-05-20

劉德耀(1963-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事艦炮系統(tǒng)試驗(yàn)技術(shù)工作.

TJ306

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2016.06.010